DE4039426A1

DE4039426A1 - DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A COATING THICKNESS

Info

Publication number: DE4039426A1
Application number: DE4039426A
Authority: DE
Inventors: David Webster Oliver
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1991-06-27
Also published as: JPH03189503A; IT9022375A1; CA2021600A1; FR2656086A1; IT9022375A0; US5017869A; CN1052548A; GB2239525A; IT1244183B; GB9026555D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Messen einer Überzugs dicke und insbesondere auf die Verwendung einer Wirbel stromeinrichtung mit einem Wobbelgenerator.The invention relates to the measurement of a coating thick and especially on the use of a vertebra current device with a wobble generator.

Wenn Substratteile mit dünnen Schichten überzogen werden, ist es wichtig, die Schichtdicke zu steuern. Wenn der Über zug physikalische Eigenschaften, beispielsweise akustische Impedanz oder elektrischen Widerstand, hat, die sich von dem Substrat deutlich unterscheiden, wird die Steuerung der Schichtdicke mit üblichen Techniken durchgeführt, wie bei spielsweise Ultraschall oder Wirbelströmen fester Frequenz. Beim Überziehen einiger Substratteile unterscheiden sich aber die Substrat- und Überzugsmaterialien nur leicht, bei spielsweise beim Überziehen eines Zirkaloyrohres mit Zirko niummetall. Dadurch ist der Unterschied in den physikali schen Eigenschaften nur klein und macht es schwierig, die Überzugsdicke zu ermitteln.If thin parts of the substrate are covered, it is important to control the layer thickness. If the over train physical properties, for example acoustic Impedance, or electrical resistance, that differs from clearly distinguish the substrate, the control of the Layer thickness performed using conventional techniques, such as for example ultrasound or eddy currents of fixed frequency. When covering some substrate parts differ but the substrate and coating materials only lightly for example when covering a Zircaloy tube with zircon nium metal. This is the difference in the physi properties are only small and make it difficult to Determine coating thickness.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Überzugs dicke zu bestimmen, insbesondere wenn die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften des Überzugs und des Sub strats klein sind. It is therefore an object of the invention to provide a coating to determine thickness, especially if the differences in the physical properties of the coating and the sub are small.

Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung geschaffen zum Messen der Dicke eines Überzugs auf einem Substrat mit einem gege benen Substratmaterial, die Mittel zum Erzeugen von Wirbel strömen unterschiedlicher Frequenz in dem überzogenen Sub strat, dem Überzug und einem nicht-überzogenen Substrat des gegebenen Materials und Mittel enthält zum Vergleichen von Leitfähigkeitsänderungen des Überzugs und des überzogenen Substrats mit dem nicht-überzogenen Substrat bei Änderungen in der Frequenz.According to the invention, a device for measuring is created the thickness of a coating on a substrate with a counter benen substrate material, the means for generating vortex flow of different frequency in the coated sub strat, the coating and a non-coated substrate of the given material and means for comparing Changes in conductivity of the coating and the coated Substrate with the uncoated substrate in case of changes in frequency.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Dicke eines Überzugs auf einem Substrat mit einem gegebenen Sub stratmaterial werden Wirbelströme variabler Frequenz in dem überzogenen Substrat, dem Überzug und einem nicht-überzoge nen Substrat des gegebenen Materials erzeugt, und dann wer den Änderungen in der Leitfähigkeit des Überzugs und des überzogenen Substrates mit dem nicht-überzogenen Substrat bei Änderungen der Frequenz verglichen.In the method according to the invention for measuring the thickness a coating on a substrate with a given sub strat material become eddy currents of variable frequency in the coated substrate, the coating and a non-coated created a substrate of the given material, and then who the changes in the conductivity of the coating and the coated substrate with the non-coated substrate compared with changes in frequency.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei spielen näher erläutert.The invention now has further features and advantages based on the description and drawing of execution play explained in more detail.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of the invention.

Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung der Anordnung von Sondenspulen, die in Fig. 1 verwendet sind. FIG. 2 is a cross-sectional view of the arrangement of probe coils used in FIG. 1.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von einem Winkelblock, der zum Kalibrieren gemäß der Erfindung verwendet wird. Fig. 3 is a cross-sectional view of an angle block, which is used for calibrating according to the invention.

Fig. 4 ist ein Kurvenbild von einem Signal in dem Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 1. FIG. 4 is a graph of a signal in the embodiment shown in FIG. 1.

Fig. 5 ist ein teilweises Blockdiagramm von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure 5 is a partial block diagram of another embodiment of the invention.

In Fig. 1 ist eine Brückenschaltung 10 mit Sondenspulen 12 und 14 gezeigt, von denen jeweils das eine Ende an Erde bzw. Masse gelegt ist. Die Brücke 10 enthält auch Indukti vitäten 16 und 18, die auf entsprechende Weise mit den üb rigen Enden der Sonden 12 und 14 verbunden sind. Während die Induktivitäten 16 und 18 durch Widerstände oder Konden satoren ersetzt werden können, ist es vorzuziehen, daß sie Induktivitäten sind, so daß die Empfindlichkeit der Brücke 10 über einem breiten Frequenzbereich beibehalten wird. Mit den anderen Enden der Induktivitäten 16 und 18 ist eine Wobbelsignalquelle oder ein Oszillator 20 verbunden. Die Quelle 10 hat eine typische Wobbelfrequenz zwischen etwa 10 kHz bis 10 MHz mit einer Wobbelgeschwindigkeit von etwa 30 Hz, obwohl auch andere Frequenzen verwendet werden können. Vorzugsweise ist die Quelle 20 eine Konstantstromquelle (hohe Ausgangsimpedanz), um die Brückenempfindlichkeit über dem Wobbelfrequenzbereich helfend zu unterstützen.In Fig. 1, a bridge circuit 10 with pick-up coils 12 and 14 is shown, of which in each case one end coupled to ground is placed. The bridge 10 also contains inductances 16 and 18 , which are connected in a corresponding manner to the usual ends of the probes 12 and 14 . While inductors 16 and 18 can be replaced by resistors or capacitors, it is preferred that they be inductors so that the sensitivity of bridge 10 is maintained over a wide range of frequencies. A wobble signal source or an oscillator 20 is connected to the other ends of the inductors 16 and 18 . The source 10 has a typical sweep frequency between about 10 kHz to 10 MHz with a sweep speed of about 30 Hz, although other frequencies can also be used. Preferably, source 20 is a constant current source (high output impedance) to aid in bridge sensitivity over the sweep frequency range.

Vergleichsmittel, wie beispielsweise Phasendetektoren 22 und 24, haben jeweils zwei Eingänge, die auf entsprechende Weise mit dem Knotenpunkt der Spulen 12 und 16 und auch mit dem Knotenpunkt der Spulen 14 und 18 verbunden sind. Die Quelle 20 liefert ein Signal an den Eingang eines Phasen stellers 26. Das Ausgangssignal aus der Stelleinrichtung 26 wird direkt an den Eingang des Detektors 24 und auch an den Eingang einer 90°-Phasenschieberschaltung 28 angelegt; das Ausgangssignal aus der Schaltung 28 wird dem Detektor 22 zugeführt. Somit ist der Detektor 22 der Q- bzw. Quadratur kanal-Phasendetektor, während der Detektor 24 der I- bzw. Längskanal-Phasendetektor ist.Comparison means, such as phase detectors 22 and 24 , each have two inputs which are connected in a corresponding manner to the node of the coils 12 and 16 and also to the node of the coils 14 and 18 . The source 20 supplies a signal to the input of a phase adjuster 26 . The output signal from the actuating device 26 is applied directly to the input of the detector 24 and also to the input of a 90 ° phase shifter circuit 28 ; the output signal from the circuit 28 is fed to the detector 22 . Thus, the detector 22 is the Q or quadrature channel phase detector, while the detector 24 is the I or longitudinal channel phase detector.

Bekanntlich können die Detektoren 22 und 24 jeweils eine Diodenbrücke enthalten, die das Differenzsignal von den Sonden 12 und 14 und von der Quelle 20 als Eingangssignale empfängt. Ein Ausgangssignal aus der Brücke wird einem Wi derstands/Kapazitäts-Tiefpaßfilter zugeführt. Dieses Filter sollte eine Zeitkonstante aufweisen, die länger als die Pe riode der unteren Grenzfrequenz der Wobbelfrequenz, bei spielsweise 1/10 kHz, und kürzer ist als die Periode der Wobbelgeschwindigkeit, beispielsweise 1/30 Hz. Die Phasen detektoren 22 und 24 lassen das Differenzsignal von den Sonden 12 und 14 im wesentlichen durch, wenn es gleichpha sig mit demjenigen des Referenzoszillatorsignals ist, das dem entsprechenden Detektor zugeführt ist, und sie sperren das Differenzeingangssignal, wenn es dazu phasenverschoben ist.As is known, the detectors 22 and 24 can each contain a diode bridge, which receives the difference signal from the probes 12 and 14 and from the source 20 as input signals. An output signal from the bridge is fed to a resistor / capacitance low-pass filter. This filter should have a time constant that is longer than the period of the lower cut-off frequency of the wobble frequency, for example 1/10 kHz, and shorter than the period of the wobble speed, for example 1/30 Hz. The phase detectors 22 and 24 leave the difference signal through probes 12 and 14 substantially when it is in phase with that of the reference oscillator signal supplied to the corresponding detector, and they block the differential input signal when it is out of phase therewith.

Das Ausgangssignal aus dem Q-Kanal-Detektor 22 wird einer Servoschaltung 30 zugeführt, die einen mechanischen Manipu lator (nicht gezeigt) aufweist zum Steuern der Position der Sonde 12, wie es durch die gestrichelte Linie 32 gezeigt ist. Das Ausgangssignal aus dem Q-Kanal-Detektor 22 wird auch an den Vertikalachsen-Eingang einer Kathodenstrahlröh ren-Anzeige 33 angelegt, die eine Horizontalachsen-Zeitab lenkung hat, die mit der Wobbelfrequenz der Quelle 20 syn chronisiert ist.The output signal from the Q-channel detector 22 is fed to a servo circuit 30 , which has a mechanical manipulator (not shown) for controlling the position of the probe 12 , as shown by the broken line 32 . The output signal from the Q-channel detector 22 is also applied to the vertical axis input of a cathode ray tube display 33 which has a horizontal axis time deflection which is synchronized with the wobble frequency of the source 20 .

Das Ausgangssignal aus dem I-Kanal-Detektor 24 wird an den Eingang eines Verstärkers 34 angelegt, der ein Ausgangssi gnal an einen Schalter 36 liefert. Wenn der Schalter 36 für einen direkten Anzeigemodus mit dem Kontakt 38 in Eingriff ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 34 an den Ein gang für die vertikale Achse einer Kathodenstrahlröhren-An zeige 40 angelegt, die auch einen Zeithub auf der horizon talen Achse hat, der mit dem Frequenzhub der Quelle 20 syn chronisiert ist, um eine Übergangsfrequenz, die nachfolgend näher erläutert wird, anzuzeigen.The output signal from the I-channel detector 24 is applied to the input of an amplifier 34 which supplies an output signal to a switch 36 . When the switch 36 is engaged with the contact 38 for a direct display mode, the output signal of the amplifier 34 is applied to the input for the vertical axis of a cathode ray tube display 40 , which also has a time swing on the horizontal axis which is synchronized with the frequency swing of the source 20 in order to indicate a crossover frequency, which is explained in more detail below.

Wenn der Schalter 36 mit dem Kontakt 42 in Eingriff ist, ist ein digitaler Kurvenanpassungsmodus gewählt. Das Aus gangssignal des Verstärkers 34 wird an eine Regressionsana lyse-Schaltung 44 angelegt, die einen Mikroprozessor auf weisen kann, der so programmiert ist, daß eine Anpassung der kleinsten Quadrate, eine Technik der maximalen Wahr scheinlichkeit, usw. ausgeführt, wie es allgemein bekannt ist, um die Übergangsfrequenz zu ermitteln. Es könnte auch eine verdrahtete Schaltungsanordnung verwendet werden. Das die Übergangsfrequenz angebende Ausgangssignal aus der Schaltung 44 wird einer Schaltung 46 zugeführt, beispiels weise einem Festwertspeicher (ROM), der mit einer Tabelle der Überzugsdicke über Übergangsfrequenzen (nachfolgend nä her erläutert) kalibriert ist. Dieses, die Überzugsdicke betreffende Ausgangssignal aus der Schaltungsanordnung 46 wird einer Anzeige 47 zugeführt, die entweder eine analoge oder eine digitale Anzeige der Überzugsdicke sein kann.When switch 36 engages contact 42 , a digital curve fitting mode is selected. The output signal from the amplifier 34 is applied to a Regressionsana analysis circuit 44 , which may have a microprocessor, which is programmed so that a least squares adjustment, a technique of maximum probability, etc., as is generally known is to determine the crossover frequency. Wired circuitry could also be used. The output signal from the circuit 44 indicating the crossover frequency is fed to a circuit 46 , for example a read-only memory (ROM), which is calibrated with a table of the coating thickness over crossover frequencies (explained in more detail below). This output signal relating to the coating thickness from the circuit arrangement 46 is fed to a display 47 , which can be either an analog or a digital display of the coating thickness.

Wenn der Schalter 36 mit dem Kontakt 48 in Eingriff ge bracht wird, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 34 an ein Differenzierglied 50 angelegt, um die erste Ableitung des Ausgangssignals zu berechnen. Das Ausgangssignal aus dem Differenzierglied 50 wird einer Verhältnisschaltung 52 zugeführt, die einen Mikroprozessor aufweisen kann, der so programmiert ist, daß ein Verhältnis errechnet wird. Es können auch verdrahtete, digitale oder analoge Schaltungen zum Berechnen von Verhältnissen verwendet werden, wie es allgemein bekannt ist. Das Ausgangssignal aus dem Differen zierglied 50 wird auch einem Differenzierglied 54 zuge führt, um die zweite Ableitung des Ausgangssignals des Ver stärkers 34 zu berechnen. Das Ausgangssignal aus dem Diffe renzierglied 54 wird an die Verhältnisschaltung 52 ange legt. Das Ausgangssignal aus der Verhältnisschaltung 52 wird dem Vertikalachseneingang einer Kathodenstrahlröhren- Anzeige 56 zugeführt, die auf der horizontalen Achse einen Zeithub hat, der mit dem Frequenzhub der Quelle 20 synchro nisiert ist. Es wird deutlich, daß die Anzeigen 33, 40 und 56 die gleiche Anzeige mit einem Schalter (nicht gezeigt) sein können, der den Eingang der Anzeige zwischen den Aus gängen der Schaltungsanordnungen 22, 34 oder 52 gemäß der Stellung des Schalters 36 oder dem Phasenstellbetrieb (nachfolgend näher erläutert) umschaltet. Es kann auch ein Zweistrahl-Oszilloskop als Anzeige verwendet werden.When the switch 36 is engaged with the contact 48 , the output signal of the amplifier 34 is applied to a differentiator 50 to calculate the first derivative of the output signal. The output signal from the differentiator 50 is fed to a ratio circuit 52 , which may have a microprocessor which is programmed to calculate a ratio. Wired, digital, or analog circuits can also be used to calculate ratios, as is well known. The output signal from the ornamental member 50 is also a differentiator 54 leads to calculate the second derivative of the output signal of the amplifier 34 . The output signal from the differentiator 54 is applied to the ratio circuit 52 . The output signal from the ratio circuit 52 is fed to the vertical axis input of a cathode ray tube display 56 which has a time swing on the horizontal axis which is synchronized with the frequency swing of the source 20 . It will be appreciated that the indicators 33 , 40 and 56 can be the same indicator with a switch (not shown) which controls the input of the indicator between the outputs of the circuitry 22 , 34 or 52 according to the position of the switch 36 or the phase control (explained in more detail below). A two-beam oscilloscope can also be used as a display.

Wie in Fig. 2(a) gezeigt ist, wird während des ersten Be triebs, der "Phaseneinstellung" genannt wird, die Sonde bzw. der Tastkopf 12 nahe an und mit der Spulenachse vor zugsweise senkrecht zu einem Substrat 58 mit einem Überzug 60 bekannter oder unbekannter Dicke angeordnet. Die Sonde bzw. der Tastkopf 14 wird nahe an und mit der Spulenachse senkrecht zu einem nicht-überzogenen Referenzsubstrat 62 des gleichen Materials, wie dem Substrat 58 angeordnet, wie es in Fig. 2(b) gezeigt ist. Im allgemeinen können die Sub strate 58 und 62 und der Überzug 60 irgendein leitendes Ma terial sein, beispielsweise Metalle, leitfähige Kunst stoffe, zusammengesetzte Materialien usw. Sowohl die Sonden 12 und 14 als auch die Substrate 58 und 60 sind normaler weise bewegungslos. Durch die Quelle 20 wird ein Wobbelfre quenzsignal erzeugt, das Wirbelströme in den Substraten 58 und 62 und dem Überzug 60 gemäß ihren entsprechenden Leit fähigkeiten bei der augenblicklichen Frequenz hervorrufen. Der Q-Kanal-Phasendetektor 22 vergleicht diese Leitfähig keiten, indem er die Größe und Phase der Spannungen ver gleicht, die die Wirbelströme in den Spulen 12 und 14 er zeugen, wobei dieser Vergleich auf der Anzeige 33 angezeigt wird. Die Phaseneinstellschaltung 26 wird dann eingestellt, um die möglichst horizontale Anzeigelinie 64 auf der An zeige 33 zu ergeben, d. h., die kleinstmögliche Empfindlich keit des Q-Kanal-Detektors 22 auf Unterschiede in Leitfä higkeitsänderungen. Dies entspricht in etwa der maximalen Empfindlichkeit des I-Kanal-Detektors 24 auf unterschiedli che Leitfähigkeitsänderungen der Substrate 58 und des Über zugs 60 im Vergleich zum Substrat 62 und auch der maximalen Empfindlichkeit des Q-Kanal-Detektors 22 auf Änderungen im Abstand zwischen der Sonde 12 und den Substraten 58. Diese späteren Änderungen werden "Abhebung" (lift-off) genannt.As shown in Fig. 2 (a), during the first operation, which is called "phase adjustment", the probe or probe 12 is close to and with the coil axis preferably perpendicular to a substrate 58 with a coating 60 known or of unknown thickness. The probe 14 is placed close to and with the coil axis perpendicular to an uncoated reference substrate 62 of the same material as the substrate 58 , as shown in Fig. 2 (b). In general, substrates 58 and 62 and coating 60 may be any conductive material, such as metals, conductive plastics, composite materials, etc. Both probes 12 and 14 and substrates 58 and 60 are normally motionless. A source wobble frequency signal is generated by the source 20 , causing eddy currents in the substrates 58 and 62 and the coating 60 according to their respective conductivities at the instantaneous frequency. The Q-channel phase detector 22 compares this conductivity by comparing the magnitude and phase of the voltages that the eddy currents in the coils 12 and 14 produce, this comparison being shown on the display 33 . The phase adjustment circuit 26 is then adjusted to give the horizontal display line 64 as possible on the display 33 , ie, the smallest possible sensitivity of the Q-channel detector 22 to differences in conductivity changes. This corresponds approximately to the maximum sensitivity of the I-channel detector 24 to different conductivity changes of the substrates 58 and the coating 60 compared to the substrate 62 and also the maximum sensitivity of the Q-channel detector 22 to changes in the distance between the probe 12 and the substrates 58 . These later changes are called "lift-off".

Der nächste Schritt ist die Kalibrierung bzw. Eichung, und, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Sonde 12 nahe einem Sub strat 66 angeordnet, das einen im Winkel überlappten keil förmigen Überzug 68 aufweist. Die Dicke des Überzugs 68 än dert sich in bekannter Weise mit dem Abstand entlang dem Substrat 66. Anstatt keilförmig zu sein, kann der Überzug 68 stufenförmig sein, wobei die Stufen eine bekannte Dicke aufweisen. Die Sonde 14 ist weiterhin in der Weise angeord net, wie es in Fig. 2(b) gezeigt ist. Die Quelle 20 wird aktiviert und ihre Frequenz wird gewobbelt. Wenn die Sonde 12 nahe einem dünnen Abschnitt des Überzugs 68 und die Fre quenz niedrig ist, durchdringen Wirbelströme sowohl den Überzug 68 als auch das Substrat 66. Somit sind die Signale von den Sonden bzw. Tastköpfen 12 und 14 nahezu gleich, und die Brücke 10 ist nahezu abgeglichen, da die Sonden 12 und 14 auf entsprechende Weise im wesentlichen die Leitfähig keit der Substrate 66 und 62 messen, die gleich sind. Wenn die Frequenz angehoben wird, bleibt die Symmetrie bzw. der Abgleich zunächst konstant, aber schließlich bewirkt der Haut- bzw. Skineffekt, daß weniger und weniger Wirbelströme das Substrat 66 durchdringen, und die Unsymmetrie der Brücke steigt an, wie es aus der Kurve 70 in Fig. 4 er sichtlich ist. Letztendlich verflacht die Unsymmetrie, da vorwiegend die Leitfähigkeit des Überzugs 68 gemessen wird. In der Mitte zwischen diesen Pegelabschnitten der Kurve 70 ist eine Übergangsfrequenz f₂, die dort auftritt, wo die Dicke des Überzugs 68 etwa gleich der Hauttiefe ist. Da die Überzugsdicke bekannt ist, wird ein Kalibrierungspunkt der Frequenz über der Dicke erhalten und in der Schaltungsan ordnung 46 gespeichert, und die horizontalen Achsen der An zeigen 40 und 56 sind kalibriert. Die Sonde 12 wird dann so bewegt, daß sie nahe einem dickeren Abschnitt des Überzugs 68 angeordnet ist, und der Vorgang wird wiederholt, wie es durch die Kurve 72 gezeigt ist. Diesmal wird eine neue Übergangsfrequenz f₁ erhalten, wobei f₂ größer ist als f₁. Der neue Kalibrierungspunkt wird in der Schaltungsanordnung 46 gespeichert und die horizontalen Achsen der Anzeigen 40 und 56 werden kalibriert. Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Kalibrierungs punkten erhalten worden sind. Dabei kann zunächst ein dic ker Überzug zur Kalibration verwendet werden und dann dün nere Überzüge.The next step is calibration, and, as shown in FIG. 3, the probe 12 is disposed near a substrate 66 having an angularly overlapped wedge-shaped coating 68 . The thickness of the coating 68 changes in a known manner with the distance along the substrate 66 . Instead of being wedge-shaped, the cover 68 can be step-shaped, the steps having a known thickness. The probe 14 is further arranged in the manner shown in Fig. 2 (b). The source 20 is activated and its frequency is swept. When the probe 12 is near a thin portion of the coating 68 and the frequency is low, eddy currents penetrate both the coating 68 and the substrate 66 . Thus, the signals from the probes or probes 12 and 14 are almost the same, and the bridge 10 is almost balanced, since the probes 12 and 14 in a corresponding manner essentially measure the conductivity of the substrates 66 and 62 , which are the same. When the frequency is raised, the symmetry initially remains constant, but ultimately the skin effect causes fewer and fewer eddy currents to penetrate the substrate 66 and the bridge asymmetry increases, as is evident from curve 70 in Fig. 4 it is visible. Ultimately, the asymmetry flattens out, since it is mainly the conductivity of the coating 68 that is measured. In the middle between these level sections of the curve 70 is a transition frequency f ₂ , which occurs where the thickness of the coating 68 is approximately equal to the skin depth. Since the coating thickness is known, a calibration point of frequency over thickness is obtained and stored in circuitry 46 , and the horizontal axes of the indicators 40 and 56 are calibrated. The probe 12 is then moved to be near a thicker portion of the coating 68 and the process repeated as shown by curve 72 . This time a new transition frequency f _{1 is} obtained, with f _{2 being} greater than f ₁ . The new calibration point is stored in the circuitry 46 and the horizontal axes of the displays 40 and 56 are calibrated. This process is repeated several times until a sufficient number of calibration points have been obtained. First, a thick coating can be used for calibration and then thinner coatings.

Der nächste Schritt besteht darin, die Einrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung dazu zu verwenden, die Dicke eines unbekannten Überzuges zu mes sen, indem die Sonde 12 nahe einem Substrat 58 mit einem Überzug 60 unbekannter Dicke angeordnet wird, wie es in Fig. 2(a) gezeigt ist. Die Sonde 12 wird langsam in einem ein- oder zweidimensionalen Muster über dem Substrat 58 ab getastet. Alternativ kann das Substrat 58 bewegt werden, während die Sonde 12 stationär bleibt, oder es kann irgend eine Kombination von beiden Bewegungen verwendet werden, insbesondere für eine zweidimensionale Abtastung, wobei die eine der Bewegungen in der einen Richtung und die andere Bewegung senkrecht zu der einen Richtung durchgeführt wer den kann. Mit "langsam" ist gemeint, daß diese mechanische Abtastung langsam ist im Vergleich zu der Wobbelgeschwin digkeit der Quelle 20. Auf Wunsch kann während dieser Abta stung das Ausgangssignal auf dem Q-Kanal-Detektor 22 dazu verwendet werden, die Servoschaltung 30 zu steuern, die ih rerseits den Abstand zwischen der Sonde 12 und dem Substrat 58 im wesentlichen konstant hält, d. h., die Abhebung mini miert, um genauere Dickenmessungen zu ermöglichen. Die Sonde 14 ist weiterhin so angeordnet, wie es in Fig. 2(b) gezeigt ist.The next step is to use the device according to the described embodiments of the invention to measure the thickness of an unknown coating by placing the probe 12 near a substrate 58 with a coating 60 of unknown thickness, as shown in FIG. 2 (a) is shown. The probe 12 is slowly scanned in a one- or two-dimensional pattern over the substrate 58 . Alternatively, the substrate 58 can be moved while the probe 12 remains stationary, or any combination of both movements can be used, particularly for two-dimensional scanning, with one of the movements in one direction and the other movement perpendicular to the one Direction carried out who can. By "slow" it is meant that this mechanical scanning is slow compared to the wobble speed of the source 20th If desired, during this scan, the output signal on the Q-channel detector 22 can be used to control the servo circuit 30 , which in turn keeps the distance between the probe 12 and the substrate 58 substantially constant, ie, the mini lift lubricated to enable more accurate thickness measurements. The probe 14 is further arranged as shown in Fig. 2 (b).

Der Verstärker 34 liefert ein Signal, wie es durch die Be zugszahl 74 in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn der direkte Anzei gemodus durch den Schalter 36 gewählt ist, wird das Signal 74 durch die Anzeige 40 angezeigt. Wenn der digitale Kur venanpassungs-Modus gewählt ist, ermittelt die Regressions- Analyseschaltung 44 die Übergangsfrequenz, die am besten zu dem Signal 74 paßt. Dann wird ein diese Frequenz darstel lendes Signal an die Schaltungsanordnung 46 angelegt und eine Dicke, die dieser Frequenz entspricht, wird ausgelesen und durch die Anzeige 47 angezeigt.The amplifier 34 provides a signal as shown by the reference number 74 in FIG. 1. When direct display mode is selected by switch 36 , signal 74 is displayed by display 40 . When the digital curve fitting mode is selected, the regression analysis circuit 44 determines the crossover frequency that best matches the signal 74 . A signal representing this frequency is then applied to the circuit arrangement 46 and a thickness which corresponds to this frequency is read out and displayed by the display 47 .

Wenn der Steigungs/Krümmungs-Verhältnismodus gewählt ist, dann wird die Brückenunsymmetrie nicht direkt verwendet, sondern es wird die erste Ableitung des Signals 74 durch die Schaltung 50 berechnet, wie es durch das Signal 76 ge zeigt ist. Dann wird die zweite Ableitung des Signals 74 durch die Schaltung 54 berechnet, wie es durch das Signal 78 dargestellt ist. Das Verhältnis des Signals 76 zum Si gnal 78 wird dann durch die Schaltung 52 berechnet. Bei großen und kleinen Frequenzen ist die erste Ableitung klein. Bei der Übergangsfrequenz ist die Ableitung groß und die zweite Ableitung geht gegen Null. Das Verhältnis ist auf einem Maximum an dem Wendepunkt der Brückenunsymme trie/Frequenz-Kurve, wie es durch das Signal 80 gezeigt ist. Somit ist dieses Verfahren eine sehr empfindliche Mes sung der Übergangsfrequenz. Das Signal 80 wird dann durch die Anzeige 56 angezeigt.If the slope / curvature ratio mode is selected, the bridge unbalance is not used directly, but the first derivative of signal 74 is calculated by circuit 50 , as shown by signal 76 . Then the second derivative of signal 74 is calculated by circuit 54 as represented by signal 78 . The ratio of signal 76 to signal 78 is then calculated by circuit 52 . The first derivative is small for large and small frequencies. The derivative is large at the crossover frequency and the second derivative approaches zero. The ratio is at a maximum at the inflection point of the bridge asymmetry / frequency curve, as shown by signal 80 . This method is therefore a very sensitive measurement of the crossover frequency. The signal 80 is then displayed by the display 56 .

Auf Wunsch und wenn eine zweidimensionale Abtastung verwen det wird, kann das Ausgangssignal aus dem Verstärker 34 dazu verwendet werden, ein räumliches Bild auf einer An zeige (nicht gezeigt) in entweder einer Grauskala oder Farbe zu machen.If desired and when a two-dimensional scan is used, the output from amplifier 34 can be used to take a spatial image on a display (not shown) in either a gray scale or color.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Erfindung eine empfindliche Einrichtung und ein Verfahren schafft zum Mes sen der Dicke eines Überzugs auf einem Substrat, selbst wenn die physikalischen Eigenschaften des Überzugs und des Substrats klein sind. Weiterhin wird deutlich, daß viele weitere Ausführungsbeispiele möglich sind. Beispielsweise können, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, anstatt daß sie ein Teil einer Brückenschaltung 10 sind, die Sonden 12 und 14 mit entsprechenden Eingängen einer einen Differenzverstär ker 82 enthaltenden Vergleichseinrichtung verbunden sein. Der eine Eingang von jedem Detektor 22 und 24 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 82 verbunden, während der verblei bende Eingang von jedem Detektor 22 und 24 an Erde bzw. Masse gelegt ist. Der Rest der Schaltung ist identisch mit derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist.In summary, the invention provides a sensitive device and method for measuring the thickness of a coating on a substrate even when the physical properties of the coating and substrate are small. Furthermore, it is clear that many other exemplary embodiments are possible. For example, as shown in FIG. 5, instead of being part of a bridge circuit 10 , the probes 12 and 14 may be connected to corresponding inputs of a comparator containing a differential amplifier 82 . One input from each detector 22 and 24 is connected to the output of amplifier 82 , while the remaining input from each detector 22 and 24 is connected to ground. The rest of the circuit is identical to that shown in FIG. 1.

Claims

1. Device for measuring the thickness of a coating on a substrate with a given substrate material, characterized by :
Means ( 10 to 20 ) for generating eddy currents of variable frequency in the coated substrate, the coating and a non-coated substrate of the given material as and
Means ( 22 , 24 ) for comparing changes in conductivity of the coating and the coated substrate with the non-coated substrate upon frequency changes.

2. Device according to claim 1, characterized in that the comparison means ( 22 , 24 ) have means for detecting phase differences between the eddy currents.

3. Device according to claim 1, characterized in that the generating means have first and second probe coils ( 12 , 14 ) which can be arranged in a corresponding manner near the coated and non-coated substrates.

4. Device according to claim 3, characterized in that the generating means have a bridge circuit ( 10 ) which contains the first and second coils ( 12 , 14 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the bridge circuit ( 10 ) further contains third and fourth coils ( 16 , 18 ).

6. Device according to claim 3, characterized in that the comparison means a Differential amplifier have two inputs on are connected to the coils accordingly.

7. Device according to claim 1, characterized in that the generating means one Have oscillator that is between about 10 kHz to 10 MHz wobbles.

8. Device according to claim 1, characterized in that a display device ( 33 ) is connected to the comparison means.

9. Device according to claim 1, characterized in that a regression analysis circuit ( 44 ) is connected to the comparison means, and a thickness / frequency memory ( 46 ) is connected to the analysis circuit.

10. The device according to claim 9, characterized in that the analysis circuit ( 44 ) is a small square circuit.

11. The device according to claim 9, characterized in that the analysis circuit ( 44 ) is a maximum probability circuit.

12. The device according to claim 1, characterized in that a first differentiating element ( 50 ) is connected to the comparison circuit, a second differentiating element ( 54 ) is connected to the first differentiating element ( 50 ) and a ratio circuit ( 52 ) is connected to both differentiating elements is.

13. Device for measuring the thickness of a coating on a substrate with a given substrate material, characterized by:
first and second probe coils ( 12 , 14 ) which can be arranged in a corresponding manner near the coated substrate and a non-coated substrate made of the given material,
a wobble frequency oscillator connected to the coils, and
means connected to the coils and the oscillator for comparing changes in conductivity of the coating and the coated substrate with the non-coated substrate for frequency changes.

14. Device according to claim 13, characterized in that the coated and non- coated substrates assigned in a corresponding manner are.

15. Device according to claim 14, characterized in that the substrates each have a Zircaloy alloy contain and the coating zirconium ent holds.

16. The device according to claim 13, characterized in that a bridge circuit ( 10 ) with probe coils ( 12 , 14 ) is provided.

17. The device according to claim 16, characterized in that the bridge circuit ( 10 ) contains third and fourth coils ( 16 , 18 ) which are connected in a corresponding manner with the first and second coils ( 12 , 14 ).

18. Device according to claim 13, characterized in that the wobble frequency oscilla wobbles between about 10 kHz and 10 MHz.

19. The device according to claim 13, characterized in that the comparison means contain a first phase detector ( 22 ) which is connected to the coils and to the oscillator.

20. Device according to claim 19, characterized in that a second phase detector ( 24 ) is connected to the coils and a 90 ° phase shifter ( 28 ) is connected between the oscillator and the second detector.

21. Device according to claim 20, characterized in that a Phasing device ( 26 ) is connected at its inlet to the oscillator and at its outlet to the first detector ( 24 ) and the phase shifter ( 28 ).

22. The device according to claim 20, characterized in that a servo circuit ( 30 ) is connected to the second detector ( 22 ) and is mechanically connected to the coil ( 12 ) which is arranged near the coated substrate.

23. Device according to claim 13, characterized in that the comparison means a Differential amplifier with two inputs on are connected to the coils accordingly.

24. A method for measuring the thickness of a coating on a substrate with a given substrate material, characterized by:
Generating eddy currents of variable frequency in the coated substrate, the coating and a non-coated substrate from the given material and
Compare conductivity changes of the coating and the coated substrate with the non-coated substrate with frequency changes.

25. The method according to claim 24, characterized in that when comparing the Pha transmission differences between the eddy currents are detected the.

26. The method according to claim 24, characterized in that a Fre frequency is generated between about 10 kHz to 10 MHz wobbles.

27. The method according to claim 24, characterized in that the compared vertebrae currents are displayed.

28. The method according to claim 24, characterized in that a crossover frequency be is calculated and the thickness from the crossover frequency is communicated.

29. The method according to claim 28, characterized in that the method Least squares is applied.

30. The method according to claim 28, characterized in that the method maximum probability is applied.

31. The method according to claim 24, characterized in that when calculating the first Derivation of a signal is calculated that the compar represents changes in conductivity, the second Ab line is calculated and the ratio of the first to the second derivative is calculated.

32. The method according to claim 24, characterized in that a phase adjustment for maximum sensitivity is carried out.

33. The method according to claim 24, characterized in that a calibration under Use of a substrate with a coating known Thickness is performed.